摘 要:介绍了采用PIN硅光电二极管作光接收器件实现的一种被动式实时测温系统。该系统主要由光学接收系统、信号放大与处理系统及显示系统三部分组成。从系统的相对测温灵敏度及探测器的温度分辨力与波长间的关系出发,结合大气对红外辐射的透射特性,确定了系统的工作波长;从系统的抗反射辐射能力出发,并结合探测器的最小可探测光功率要求,确定了系统的波长带宽。从P1、P2的测量不确定度出发,讨论了待测目标的发射率及温度的测量精度。结果表明,当λ=0.80μm、Δλ=20nm时,在测温范围600~2500℃内,系统的测温不确定度优于0.3%,满足设计要求。
1 引 言
可将辐射测温法分为主动式辐射测温法和被动式辐射测温法两类[1,2],被动式测温法又可分为单波长辐射测温法、双波长辐射测温法及多波长辐射测温法三种[3—5]。由于目前的单波长辐射测温法或双波长辐射测温法大都不能直接测出目标的发射率,因而往往都有较大的测温误差。
本文所述的这一测温仪器,采用PIN硅光电二极管作光电转换器件。系统尽管只工作在一个波长上,但由于使用了一只反射镜作为辅助光源,通过对反射镜处于“开”、“关”状态时探测器输出信号的巧妙处理,可以实时测出待测目标发射率的值,进而实现发射率及温度的同时准确测量。
2 测温原理与仪器结构
2.1 测量原理
如图1所示,反射镜与探测器对称地置于待测表面法线的两侧。当反射镜不起作用时,探测器接收到的辐射能P1为
式中D为光瞳口径;f′为光学接收系统的焦距;τ0为大气的传播系数;A为探测器的灵敏元面积;η为调制盘的调制系数;ελ为温度T时的待测目标在波长λ处的发射率;Lλ为温度T时的黑体在波长λ处的辐射出射度;τλ为光学系统对波长为λ的光的总透过率。
当反射镜起作用时,反射镜将红外辐射反射回待测区域的单色辐射能为
式中γ1为反射镜的有效反射率。不难导出,此时探测器接收到的辐射能P2为
式中γ2为待测表面的有效反射率;β为待测表面镜面反射特性的光学校正系数。由基尔霍夫定律,有
在极窄的波段内,对于同一种表面而言,可以认为β是一常数;同时,在极窄的波段内,也可以认为ελ及τλ与波长无关。据此并利用(1)~(4)式,可导出
2.2 仪器结构
该仪器主要由光学接收系统、信号放大与处理系统及显示系统三部分组成。工作时,接收镜头接收到的光信号(P1、P2),经窄带干涉滤光片滤光后,再经由PIN硅光电二极管构成的光电转换系统转换成电信号。该信号经前置放大、选频放大、脉宽压缩、模_数转换后送入8031单片机系统进行数据处理,以算出待测表面的发射率及温度。
电路中所需的各种触发与同步信号,均由同步光电系统产生:透过调制盘上镶嵌的同步滤光片的光信号,先经光电转换系统转变成电信号,再经整形放大并经适当延时后分别去触发、同步各个需要触发和同步的信号。
调制盘的结构简图见图2。其中1、2、4号窗口贴的是波长为0.80μm的窄带干涉滤光片(带宽20nm),3号窗口贴的是波长为1.00μm的滤光片,带宽约0.1μm(无严格要求)。5、6号窗口贴的是波长为1.00μm的滤光片(带宽也无严格要求)。调制盘的转速为1200r/min。
调制盘的具体调制情况如下:(1)当待测表面的光辐射透过3号窗口到达反射镜、并由反射镜反射后再次穿过3号滤光片回到待测区域时,1号窗口正对探测器。对于这种情况,反射镜不起作用。这是因为透过3号滤光片后又回到待测区域的光的中心波长为1.00μm,带宽约0.1μm。而1号窗口只能通过中心波长为0.80μm、带宽仅20nm的光,因此探测器接收到的仅是“直射”能(P1);此时,由5号窗口透过的光辐射形成触发、同步信号;(2)当待测表面的光辐射透过4号窗口到达反射镜、并由反射镜反射后再次穿过4号窗口回到待测区域时,2号窗口正对探测器。对于这种情况,反射镜起作用。探测器接收到的是“直射”能与“反射”能之和(P2);此时,由6号窗口透过的光辐射形成触发、同步信号;(3)当待测表面的光辐射透过1号窗口到达反射镜时,3号窗口正对探测器。情况与(1)类似,不同的只是探测器接收到的是波长为1.00μm的光辐射。后续电路虽对该信号进行放大处理,但因模_数转换电路无触发、同步信号,因此模_数转换电路不对其进行模_数转换;(4)当待测表面的光辐射透过2号窗口到达反射镜时,4号窗口正对探测器。情况与(3)类似,不同的只是探测器接收到的是波长为0.80μm的光辐射。后续电路虽对该信号进行放大处理,但同样因模_数转换电路无触发、同步信号,故模_数转换电路不对其进行模_数转换。
3 讨 论
3.1 基于探测器的相对测温灵敏度的考虑
待测温度每变化1K时,信号电平的变化量(本文即P1或P2的变化量)称为系统的温度灵敏度S[6,7],即
不失一般性,同时也为简单,以反射镜不起作用时的情况(P1)为例进行讨论。此时探测器输出的电信号的强度V(T)可写成[6,7]
由式(12)作出的Sr~λT曲线,如图3所示。由图3可以导出,在λT =2898μm·K附近,系统正好工作在Sr~λT曲线的峰值区域。此即,对PIN硅光电管而言,只要待测温度不高于T≈2898/1. 1 =2634K,探测器的输出信号则处于灵敏区域。也即,只要被测温度有微小变动,就能引起Sr较大的变化。显见,采用PIN硅光电管作光接收器件,肯定能满足测温范围的高温段对测温灵敏度的要求。当然,采用PIN硅光电管后,低温段的测温灵敏度要求也满足。
3.2 基于探测器的温度分辨力的考虑
据式(1),在极窄的波段内,当待测温度改变ΔT时,容易导出系统接收到的辐射能的变化
时,才能引起探测器的响应。式中VS/ VN为信噪比,在推算系统的温度分辨力时,取VS/ VN=1;Δf为后续的选频放大器的带宽。
将式(6)、(13)、(14)及(15)代入式(16)中,并仅考虑极限情况,可以导出
式中的即ΔT为探头的温度分辨力。
下面进行定量分析。对于实际的测量环境,取大气的衰减系数τ0=0.85,光学系统对光的总透过率τλ=0.50,调制盘的调制系数η=0.80、PIN硅光电管的探测率D*=5.0×1012cm·Hz1/2·W-1、灵敏元面积A=5×5mm2[8],选频放大器的带宽Δf=10Hz,光学系统的焦距f′=15cm,通光口径D=10cm。为分析上的方便,同时也不失一般性,取ελ=0.50、Δλ=20nm代入计算。在不同的待测温度下,由式(17)作出的探测器的温度分辨力随波长的变化曲线,如图4所示。
由图4显见,(1)探测器的温度分辨力随系统工作波长的增加而变大。例如,对于T=773K而言,λ=0. 60μm时,系统的温度分辨力ΔT=1.662K,显然不符合要求。但当λ= 0.80μm时,ΔT= 0.004K,显然符合要求;(2)当待测温度足够高时,例如对于T=923K的待测温度而言,λ≥0.70μm的波长都能满足要求。
3.3 基于抑制光路中选择性吸收气体吸收影响的考虑
3.1节要求,系统的工作波长越短,则灵敏测量的上限温度就越高;而3.2节要求,系统的工作波长越长,则测量较低的高温时其温度分辨力就越高,因此二者之间必然有一个折中。
一般情况下,进入光路中的粉尘、水蒸汽以及其它一些选择性吸收气体如二氧化碳等,都会成为外界干扰而影响到仪器的测温精度。图5给出了在0.6~3.0μm内海平面300m长度的路径上大气的透射光谱曲线。结合图5、前面得出的结论、PIN硅光电管的最小可探测光功率及后面关于测温精度的分析与讨论,本文取系统的工作波长λ1=0.8μm。顺便提及,λ1=0.8μm既符合本仪器的精确测温下限T=600K处的PIN硅光电管的最小可探测光功率要求,又满足采用16位A/D转换器件时的二次仪表测温灵敏度的要求。进一步的研究还表明,它还能使发射率的测量精度达到最好。限于篇幅,这里就不再一一讨论了。
3.4 基于系统抗反射辐射能力的考虑与波长带宽的优化选择
探测器接收到的来自待测目标方向的红外辐射,由待测表面自身的辐射和待测表面对周围环境辐射的反射这两部分组成。
为讨论上的方便,将待测表面的温度记为T0。其辐射出射度可写成
使用前面给出的参数值,利用式(1)及式(21),在T0=1000K,Ts分别为900K、1000K的情况下作出的测温不确定度[(T-T0)/T]×100%随波长带宽的变化曲线,分别如图6(a)、6(b)所示。由图显见,系统的波长带宽越窄,环境辐射对其测温不确定度[(T-T0)/T]×100%的影响越小;反之,则越大。因此,从抑制外界干扰的角度出发,系统的波长带宽应越窄越好。
结合上述结论和探测器件的最小可探测光功率要求,本文选择Δλ=20nm作为系统的波长带宽。限于篇幅,这里不再进行详细的计算了。
3.5 测量精度
ελ的标准差极大的影响系统的测温标准差。由误差传递公式[8],容易导出ελ的标准差
显见,波长越短,系统的测温标准差的值就越小,这是本仪器采用近红外波长作为其工作波长的重要原因之一。使用3.2节中给出的技术参数,以45#钢作为测量对象,并取γ1=0.75,β=0.60。在测量距离约1m的情况下,所得P1、P2的相对测量不确定度的典型值为|ΔP1/P1|≈|ΔP2/P2|≈0.5%。由(22)、(23)容易算出σελ≈1.7×10-2;对900K的待测面而言,计算可得σT≈1.19K;|σT/T|≈0.132%,这是比较精确的。
4 结 论
本文从探头的温度分辨力和仪器的相对温度灵敏度与系统工作波长间的关系出发,结合光路中选择性吸收气体吸收影响的抑制并基于探测器的最小可探测光功率方面的考虑,研究了仪器工作波长与波长带宽的选取。结果表明实际测温系统的波长分别为λ1=0.8μm、λ2=1.0μm时,在测温范围600~2500℃内,系统的温度分辨力优于0.01K,测温精度优于0.3%(例如,待测温度在925K时,测温精度达到0.205%;在1076K时,测温精度达到0.241%,等等),满足实际需要。进一步的工作正在进行之中。
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基金项目:国家自然科学基金(60577050);河南省基础与应用基础研究项目(2003140031)
作者简介:刘玉芳(1963_),男,河南人,河南师范大学教授,博士,从事原子分子与光物理研究。
E_mail:scattering@sina.com.cn
